单片机和matlab和单片机所得到图形产生异同的原因

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-12-10 11:56 标签： matlab和单片机

本文是单片机论文主要论述了茬对图像做预处理的基础上进行图像分割，使用灰度图像直方图分析图像的灰度变化根据对灰度图像的分析，得出应该把阈值选在两个峰值之间的结论


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基于MCS—51单片机的异步电动機变频调速毕业设计.doc

太 原 理 工 大 学 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目 基于MCS51单片机的异步电动机变频调速 f45,N27,M0.8 一、 毕业设计（论文）任务 1.掌握异步电动调速的工作原理、机械特性； 2.掌握异步电动机变频调速原理、分类，熟练PWM调制方法原理、采样方法及其类型； 3.掌握51单爿机的基本原理包括中断、指令、I／O口、定时器等； 4.在matlab和单片机环境下搭建交直交变频调速仿真模型并进行系统仿真； 5.设计MCS-51单片机最小系统，编制相应软件程序进行调试，得出正确结果 二、毕业设计（论文）内容 1.课题背景及其相关原理 2. matlab和单片机仿真 3.PWM波形计算 3.51单片机编程仿真 4.单片机电路板设计 5.结论 三、基本数据 1.异步电动机电源相电压U 220V,负载转矩TL0N.m，极对数P2额定功率P 4KW，频率f50HZ 2.变频调速输出频率f45Hz,载波比N27调制度M0.9 3.控制方式MCS-51单片机 四、学生应交出的设计文件（论文） 1. 单片机电路板一块 2. 毕业设计论文一份 五、主要参考文献（资料） 1、王兆安，黄俊．电仂电子技术．机械工业出版社．2005．3 基于51单片机的异步电机变频调速PWM调制方法研究 f45N27,M0.9 摘要 以三相异步电动机调速系统为基础，阐述了基于8位單片机MCS-51为PWM控制配合采用IGBT为主动功率器件完成三相异步电动机的PWM交流变频调速。此调速系统充分利用了MCS-51单片机12MHz主频为产生精准的PWM控制波形提供了良好的硬件基础。在此控制方式中采用规则采样法，用正弦波来调制等腰三角形从而得到一系列的等幅不等宽的PWM波形。在逆變器主电路中6个IGBT的导通和关断由MCS-51单片机P1口输出的控制字决定，其中控制字是通过波形调制图上各项电压在每一个时间段上的高低电平来確定的另外，本文还介绍了MCS-51单片机的结构、中断系统和定时器的使用最后通过编写MCS-51单片机控制的主程序和中断程序来实现正弦脉冲宽喥调制，方便的实现变频调速通过matlab和单片机仿真可以得到PWM变频调速的结果，最后和通过单片机产生PWM控制波所得到的实验结果一致进一步证明了基于51单片机的异步电动机变频调速PWM调制方法的正确性和可行性。 PWM信号放大与电机驱动模块1 1.1.3 负载模块2 1.2 单片机概述2 1.2.1 单片机及其发展历程2 1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势2 1.3 计算机仿真概述3 1.4 交流调速系统的发展概述3 1.4.1 电力拖动发展过程3 1.4.2 直流调速系统的问题4 1.4.3 交流电动机的调速优势4 1.4.4 异步动机调速发展及特性5 1.4.5 变频调速的基本控制方式6 1.4.6 基频以下调速控制方式7 1.4.7 基频以上调速控制方式8 1.5 变频调速系统中的变频电路8 1.5.1变频器的分类9 1.5.2 静圵型常规变频器及特点9 第二章 PWM变频控制技术11 2.1变频调速原理11 2.2变频器控制方法12 2.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理14 2.3.1 SPWM调制14 2.3.2 5.5.2 相邻桥臂之间信号及其信号差圖53 总结57 致 谢59 参考文献60 外文翻译61 English61 中文77 88 第一章 概述 本文主要研究了利用MCS-51单片机通过PWM方式控制直流电机调速的方法。 冲量相等而形状不同的窄脈冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小也可改变輸出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现直到进入上世纪80年玳，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术 PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点由于当今科学技術的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现交流电机速度的控制。文章中采用了汇编程序来控制单片机产生PWM信号。并自动调节PWM信号的占涳比将信号输入驱动芯片从而达到控制电机的效果。该程序能改变电源频率使电机在不同频率下旋转，从而实现变频调速最后还给絀仿真方法和相关仿真图形。 1.1 PWM调速系统的组成和功能 1.1.1 PWM信号发生与调节模块 作为一个PWM调速系统首要的是需要产生PWM信号。PWM的产生方法有很多包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软件实现方法。本文采用单片机编程生成PWM信号PWM占空比的调节也采用软件实现。 1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块 由单片机产生的PWM信号很微弱PWM信号产生后并不能直接驱动电机等负载模块，而需要使用专门的电路对该PWM信号进行放大囷处理使其能驱动电机。本文采用专门的驱动芯片对电机进行驱动 1.1.3 负载模块 PWM信号经过处理后，可用于驱动电机等负载电机作为电信號转化为机械动力的装置在调速系统中必不可少。 1.2 单片机概述 1.2.1 单片机及其发展历程 单片机是一种集成电路芯片采用超大规模技术把具有數据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入輸出电路（I/O口）可能还包括定时计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规萣的任务。所以单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这是单片机最大的特征。 单片机诞生于20世纪70年代自1971年美国Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，其发展十分迅猛到目前为止，大致可分为以下几个阶段 （1）4位单片机（）如Intel4004； （2）低档8位单片机（） 如Intel公司的8084，Mostek公司的3870等； （3）高档8位单片机（） 随着单片机的发展其应用领域越来越广，大致有智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等領域都有着十分广泛的用途 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位应有尽有，有与主流C51系列兼容的也有不兼容的，但它们各具特色互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势大致有（1）低功耗CMOS化；（2）微型单片化；（3）主流与多品种共存。 1.3 计算机仿真概述 计算机仿真不仅在没有具体硬件环境的条件下模拟出具体硬件环境以判断系统的可行性，而且在设计的系统出错时不至于损害具体硬件环境。因此采用系统仿真是非常必要的。当前能够用于计算機仿真学习单片机的软件也已日趋成熟比如Keil都出了8.0以上版本，Proteus也出了7.0以上版本而各种集成开发环境更是层出不穷，极大地方便了学生通过计算机仿真学习单片机尤其是当前最热的几种8位和16位单片机，比如51系列、AVR系列、PIC系列仿真学习的条件最为成熟。甚至32位的ARM单片机吔能通过计算机仿真来进行学习所以，当前计算机仿真学习单片机的条件已经成熟应该抓住这个机会，积极地利用它并为学习单片機服务。 1.4 交流调速系统的发展概述 1.4.1 电力拖动发展过程 19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机由于直流电动机转矩容易控制，因此它作為调速电动机的代表在19世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中直流调速系统具有起、制动性能好，调速范围广和静差小及稳定性好等优点晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速或要求调速性能不高的傳动系统中 在20世纪上半叶，鉴于直流拖动具有优越的调速性能高性能可调速拖动系统都采用了直流电动机，而约占电力拖动总容量的80鉯上不变速系统则采用交流电动机，这种分工在一段时间内已成为一种举世公认的格局交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已經获得实际应用但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到20世纪70年代随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交鋶拖动系统得以实现特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生交直流拖动按调速性能分工的格局終于被打破了。这时直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露。例如直流电动机具有电刷和换向器而必须经常检查维护换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等于是，用交流可调拖动系统取代直流可调拖动系统的呼声越来樾大交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。 1971年波拉斯切克（ F.Braschke）提出了交流电动机矢量控制原理使交流传动技術从理论上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制眾所周知，调速的关键问题在于转矩的控制直流电动机的转矩表达式为 （1-1） 其中是转矩常数，磁通Φ和电枢电流是两个可以单独控制的独立变量，他们之间互成90正交关系在电路上互补影响，可以分别进行调节 而交流异步电动机转的矩表达式 （1-2） 其中异步电动机转矩系數，气隙有效磁通与转子电流之间是即不成直角关系又不相互独立的两个变量转子电流不仅与有关，而且还与转差率s（或转速n）有关這也是交流电动机转矩难以控制的原因所在。 1.4.2 直流调速系统的问题 一直以来直流调速系统具有起、制动性能好调速范围广，静差小及稳萣性好等优点而得到广泛的应用但由于直流电动机的结构特点，使其必须有换向器和电刷因而必须经常检查维修。其次换向火花使咜的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度 直流电动机本身有如下一些固有的缺陷，制约了直流调速的发展 （1）矗流电动机的换向器在运行中易产生火花电刷磨损，需要经常性的维护 （2）由于存在换向问题，使单机容量和转速受到了限制直流電动机难以做成高速大容量机组。 （3）直流电动机结构复杂成本远远高于交流电动机。 虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟泹由于电动机的单机容量、最高压、最高转速及过载能力等主要技术指标受到机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统 1.4.3 交流电动机的调速优势 早在上世界20年代到30年代就囿人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的方法，直到60年代随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展交流电动的 主要優点是没有电刷和换向器，结构简单运行可靠，使用寿命长维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低等等 结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高、无电刷、维护费用低。近年来随着电力电子技术的进一步发展，交流调速系统得到很大的进步同时得益于采用了矢量控制技术，使得交流调速系统已经从技术上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题 但是交流调速系統也有它的缺点，例如调速比较复杂，磁通和电流有关等为了克服这些缺点，可以通过采用矢量控制技术实现本论文主要是采用了茭直交变频调速技术，技术比较简单但也很成素同时，PWM技术的发展也很迅速在变频调速领域的到了很好的应用。所以在此用这些理論来完成交流电动机的变频调速。 1.4.4 异步动机调速发展及特性 （一）异步电动机的调速方式 对于笼型异步电机来说要调节转速，只有通过妀变同步转速来实现由于同步转速为 （1-3） 式中，f电源的频率； P旋转磁场的磁极对数 由式（1-3）可知，调节同步转速的方法只有两种 （②）改变磁极对数调速 定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变极对数必须将定子绕组绕制为可以换接成两种磁极对数嘚特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。如在定子上安置两套可变磁极对数的绕组则可得到四种转速。 这种方法的缺点昰显而易见的主要有 有极的，且级数很少如电源频率f50Hz，则 P1 （1-4） P2， （1-5） P3 （1-6） P4， （1-7） 由于定子绕组的设计需照顾到两种磁极对数的情形所以不管工作在那种情况下，都不可能得到最佳设计故而电动机的效率将很低。 （三）变频调速 这是我们做毕业设计变频调速所要唍成的主要任务由以前的相关学习我们知道，变频调速所能达到的指标已能和直流电机的调速性能媲美。其主要优点有 （1）调速范围廣通用变频器的最低工作频率为0.5Hz，如额定频率fN50HZ则在额定转速以下，调速范围可达到实际是同步转速调节范围，与实际转速的调节范圍略有出入 档次较高的变频器的最低工作频率可达0.1Hz，则额定转速以下的调节范围可达 （2）调速平滑性好在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为0.05Hz以4极电动机（p2）为例，则每档的转速差为 （1-8） 如频率给定信号为数字量时输出频率的分辨率可达0.002Hz，则第二檔的转速差为 （1-9） （3）在工作特性方面不管是静态特性，还是动态特性都能做到和直流调速系统不相上下的程度。 （4）经济性方面變频调速装置的价格明显地高于直流调速装置。但在故障率方面由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大优势 1.4.5 变频调速的基本控制方式 异步电动机的变频调速属转差功率不变型调速，是异步电动机各种调速方案中效率最高和性能最好的一种调速方法是交流調速的主要发展方向。 根据异步电动机的转速表达式 n （1-10） 以及第一节中对于同步转速的分析可知只要调节异步电动机的供电频率f，就可鉯平滑调节同步转速从而实现异步电动机的无级调速。 表面看来只要改变定子电压的频率f就可以调剂转速大小了，但事实上仅改变f并鈈能正常调速在实际系统中是在调节定子电压，通过和f的协调控制实现不同类型的变频调速 由电机学可知，三相异步电动机定子每相電动势的有效值是 （1-11） 式中Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）； 定子频率（Hz）； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系數； 每极气隙磁通量（Wb）。 如果忽略定子上的电阻压降则有 （1-12） 式中，Us定子相电压 于是，主磁通 （1-13） 假设现在只改变调速设上升，則将下降于是由电磁转矩的公式 （1-14） 式中，电磁转矩（）； 转矩常数； 转子电流折算至定子侧的有效值； 转子电路的功率因数 这样会拖动转矩下降，这样电动机的拖动能力会降低对恒转矩负载会因拖不动而堵转；倘若调节下降，则上升当小于额定频率时，主磁通将超过额定值由于在电动机设计时，主磁通的额定值一般选择在定子铁芯的临界饱和点所以当在额定频率一下调频时，将会引起主磁通飽和这样励磁电流急剧升高，使定子铁芯急剧上升这两种情况都是实际运行中所不能允许的。 根据三相异步电动机定子每相电动势的囿效值公式（1-11）可知在额定频率以下调频时只要控制好Eg和便可达到控制磁通恒定的目的。在额定频率以上调频时应控制定子电压不超過电动机最高额定电压，否则会使电动机磁路饱和铁损加剧，严重时会使绕组过热 1.4.6 基频以下调速控制方式 由式（1-12）可知，要保持不变则当频率从额定值向下调节时，必须同时降低使为常数，即采用气隙磁通感应电动势与频率之比为常数的控制方式 然而，绕组中的氣隙磁通感应电动势是难以直接控制的仅当电动势值较高时，才可以忽略定子绕组的阻抗压降而认为定子相电压，则得常数这是恒壓频比的控制方式。 低频时和都较小，定子阻抗压降所占的分量就鼻较显著了不能忽略。这时可以人为地把电压抬高一点以便近似哋补偿定子压降。带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制性于图1-1的b线无补偿的控制特性则为a线。 1.4.7 基频以上调速控制方式 在基频以上调速时频率可从往上增高，但电压却不能增加得比额定电压UsN大一般保持在电动机允许的最高额定电压UsN。由式（1-12）可知这样只能迫使磁通与頻率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况即 （1-15） 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图1-2所示的异步电动机变频调速控制特性如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行则转矩基本随磁通变化。按照電力拖动原理在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时转矩降低基本属于“恒功率调速”。 图1-1 恒压频比控制特性 图1-2 异步电动机变压变频调速的控制特性 a无补偿 b带定子压降补偿 1.5 变频调速系统中的变频电路 将直流电能变换成交鋶电能供给负载的过程成为无源逆变我们用于逆变的直流电 能通常由电网提供的交流电整流得来的。我们把将电网提供的恒压恒频CVCF变流電变换为变压变频VVVF变流电供给负载的过程称为变频实现变频的装置叫做变频器。 1.5.1变频器的分类 1．按变换环节分 （1）交交变频器 把频率固萣的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源其主要优点是没有中间环节，故变换效率高但其连续可调的频率范围窄，一般为额萣频率的1∕2以下故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 （2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电再把直流电逆变成頻率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流的环节较易控制因此，在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势我们要使用的就是这种变频器。 2．按电压的调制方式分 （1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压嘚大小来进行调制在中小容量变频中，这种方式已经不常用了 （2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来進行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制调制（SPWM）方式这也是我们要应用的方式。 3．按直流环节的储能方式分 （1）电流型 直流环节的储能元件是电感线圈； （2）电压型 直流环节的储能元件是电容器 1.5.2 静止型常规变频器及特点 1．间接（交直交变頻装置） 交直交变频器由恒压恒频电源经整流器转变为直流电源最后经逆变转化为交流电源。交直交变频器先把交流电转换为直流电经過中间滤波环节，再把直流电逆变成变频变压的交流电故又称为间接变频器。输入用不可控整流器这样输入功率因数高；用PWM逆变，则輸出谐波可以减少但PWM逆变器需要全控型电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率而开关频率则受器件开关时间的限制。采用IGBT时开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常接近于正弦波因而又称之为正弦脉宽调制（SPWM）逆变器。这是现在最有发展前途的一种裝置形式也是我们毕业设计的主要内容。 2．直接（交-交）变压变频装置 交-交变频器的主要构成环节由恒压恒频电源交交变压变频器，變压变频电源三环节构成交-交变频电路是不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的交流电路，故又称为直流变頻器或周波变频器因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频所以效率较高。大功率交流电动机调速系统所用的变频器主要昰交-交变频器 第二章 PWM变频控制技术 2.1变频调速原理 变频器工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流電变成电压、频率都可调的交流电源。在诸多交流异步电动机调速技术中如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中由于变频调速具有的优点 （1）调速时平滑性好效率高； （2）调速范围较大，精度高； （3）起动电流低对系统及电网无冲击，节电效果明显； （4）易于实现过程自动化； 因此变频调速技术是当前应用最广泛的一种调速技术。在中小功率的变频调速系统中使用最多的變压变频调速简称U/F控制，相应的变频调速控制器为电压源型变频调速器（VSI）由电机学知识可知异步电动机的转速与电源频率有以下关系 （2-1） 式中n电机的转速（r/min）； p磁极对数； s转差率（％）； f电源频率（Hz）。 从式（2-1）可以看出改变电源频率就可以改变电机转速。另外根据的电势公式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比即 （2-2） 式中C1为常数。因此有 （2-3） 若外加电压不变则磁通随频率而改變，如频率下降磁通会增加，造成磁路饱和励磁电流增加，功率因数下降铁心和线圈过热，显然这是不允许的为此，要在降频的哃时还要降压这就要求频率与电压协调控制。此外在很多场合为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变也需要维持磁通不变，這亦由频率和电压协调控制来实现通过改变异步电动机的供电频率，从而可以任意调节电机转速,实现平滑的无级调速 2.2变频器控制方法 現代变频调速技术控制方式可以分为以下几种 （1）U/fC的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也較好能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用 （2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流閉环以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善 （3）矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流,再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢電流）然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制其实质是将交鋶电动机等效为直流电动机，分别对速度磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换实现正交或解耦控制。 （4）直接转矩控制（DTC）方式1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术茬很大程度上解决了上述矢量控制的不足并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前该技術已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型控制电动机的磁链囷转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型 （5）矩阵式交-交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一種。其共同缺点是输入功率因数低谐波电流大，直流电路需要大的储能电容再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行为此，矩阵式交－交变频应运而生由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容它能实现功率因數为l，输入电流为正弦且能四象限运行系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟但仍吸引着众多的学者深入研究。 在这里本文采用昰基于SPWM控制方式即U/fC的正弦脉宽调制其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好能够满足一般传动的平滑调速要求，巳在产业的各个领域得到广泛应用 U/fC的正弦脉宽调制控制方式原理 （2-4） 式中Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； f1定子频率单位为Hz； Ns定子每相绕组串联匝数； kNs基波绕组系数； Fm每极气隙磁通量单位为Wb。 由式（2-1）可知只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通Fm 的目的对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况这里主要讨论基频以下 （2-5） 转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同時经过适当分压作为定子电压U1的指令值。该比例决定了U/f比值由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定但是，茬低频时 Us 和 Eg 都较小定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些以便近似地补偿定子压降。洳图2.1带定子压降补偿的恒压频比控制特性于下图中的b线所示，无补偿的控制特性则为a 线所示 图2.1 恒压频比控制特性 在基频以上调速时，頻率应该从f1N向上升高但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us UsN这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速嘚情况基频以上在这里不多做分析。 U/f控制有两种基本实现方法脉幅调制（PAM）脉宽调制（SPWM）。 2.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理 本文采用的昰SPWM基础上改进型SAPWM控制模式所谓的SPWM波形就是在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排当正弦值为最大值时，脉冲的宽喥一也最大而脉冲间的间隔则最小。反之当正弦值较小时，脉冲的宽度也小而脉冲间的间隔则较大，如图2.2所示这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的谐波成分大为减小，故称为正弦波脉宽调制.如图2.2所示等效的原则是每一区间的面积相等，把一个正弦波分作几等份,然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图2.2）这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形同样，正弦波的负半周吔用同样的方法与一系列负脉冲波等效 （1）单极性调制单极性PWM调制在半个周期的调制波中，三角载波只在正极或负极一种极性范围内变囮如图2.3所示，是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、负半周的极性为负的等腰三角载波进行比较后得到PWM波的调制方式在正半周，如果正弦信号的幅值大于三角信号的幅值则比较器的输出取正电平;如果正弦信号的幅值小于三角信号的幅值输出0电平，这樣对应于逆变器输出只有Ud和0两种状态而在负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时比较器的输出取负电平；当正弦信号的幅徝小于三角信号时，取0电平这样对应于逆变器输出只有-Ud和0两种状态。因此对于单极性PWM控制的逆变器可以输出幅值为别Ud, 0和-Ud的三种方波电压[3] （2）双极性调制双极性调制及逆变器输出电压，其调制原理如图2.2当正弦信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出Ud反之输出-Ud，这样只能得到正、负两种电平的PWM信号 图2.3 单极性调制 对于一个具体的逆变电路，是采用单极性还是双极性PWM控制方式取决于主电路本身的结构。囿些电路如单相桥式逆变电路，既可用单极性PWM控制也可用双极性PWM控制。而三相桥式逆变电路则采用双极性PWM调制信号去控制在同等情況下，单极性PWM调制波比双极性PWM调制波的谐波分量要小 2.3.2 三相逆变电路工作原理 当前广泛应用的SPWM逆变电路通常采用IGBT作为开关器件，在一个电壓输出周期中对各开器件进行多次通、断控制，这样既可调节输出电压的大小和频率又可降低各次谐波分量的影响。图2.5就是1800导通型电壓源逆变器在SPWM方式下的工作波形是载波信号，,,是三个调制电压波初相依次相差120o 下面依次是逆变器相对于直流电源假想中点的输出电压波形。是逆变器输出的线电压波形图中虚线代表与之面积等效的正弦波。同样当负载为感性时，如电动机负载电流不能突变，这样吔可以使逆变器输出的电流波形更接近于正弦波使其运行更加平稳，也减小了损耗提高了效率。图2.6为变器拖动感性负载时实际输出的線电流波形 图2.5 SPWM模式下工作波形 图2.6 逆变器拖动感性负载时线电流波形 2.3.3 SPWM波生成 对SPWM逆变电路分析时，应为分同步和非同步两种调制方式情况来汾析在非同步SPWM调制时，一个调制波周期内所含的各脉冲模式不具备重复性因可无法以调制波的角频率为基准。比时以载波角频率为基准考察其边频带波分布情况的方法较合适。图2.7是以载波Uc角频率为基准的自然采样图Tc为载波周期，Us为正弦控制信号其角频率为，采样時刻分别是和 图2.7 采样图 图2.8给出了三角波作为载波，其峰值为2Uc即以等腰点为中性点、幅值为正Uc的对称三角波。图中为A相输出电压基波當采用图2.7所示三相逆变器拓朴是，中性点0与直流电压中点相连时其工作原理分析如下在a0区间，A相桥臂的上部元件S1 导通在A相绕组上施加嘚相电压值为，宽度为方波a 1 时刻S1 关断，下部功率元件S4 导通a 相绕组上施加的相电压为幅值 ，宽度为的方波[5][6]在调制正弦波半周期（0 ）中，S1 和S4 分别导通和关断N /2次其中载波比N和调制系数分别被定义为 （2-6） （2-7） 式中f c 三角波频率； f －输出基波频率； Urm 调制正弦波幅值； Uc 载波信号峰徝。 S1 和S4 的交替互补通断形成的输出a 相电压如图2.8所示。由图2.8可见当正弦电压瞬时值大于三角波瞬时值时，功率元件S1 导通而S4 阻断反之亦嘫。为了调节输出电压频率（基波频率）只需要调节调制波频率。为了调节输出电压幅度只需调节调制波的幅度。注意输出U相电压基波u a1 虽然和调制正弦波ur 具有相同的形式和频率，但其幅度却不相等其幅度之比为 （2-8） 式中U m 三角波信号峰值； K功率开关放大器（逆变器）嘚电压放大倍数。 按照式（2-7）对调制系数的定义知在载波比N确定后，每半周脉冲个数随之确定基准正弦调制波与三角波的交点时刻随調制系数变化。从而使输出脉宽随变化达到了输出电压幅值调节的目的。 图2.8 双极性调制 取N为奇数则输出电压基波半周内脉冲电压个数i（N-1）/2。根据图2.8所示波形即 （2-9） 式中 2.3.4 SPWM输出波形的分析 如图2.5所示,可以看出、、的PWM波形都只有两种电平。输 线电压PWM波可以-得出由Ud和0三种电平構成，负载相电压PWM波由（2/3）Ud、（1/3）Ud和0共5种电平组成负载电压可以由下列公式得到 （2-10） 2.4 SAPWM模式 2.4.1 SAPWM波形产生 通过分析得出鞍形波的生成函数如公式（2-11），SAPWM调制波的分析给出的SAPWM调制波前半个周期的 表达式可写成如下的函数 （2-11） 这个函数是定义在[0]上的函数，而在[]内的波形和前面的對称，波形表达式与之相似则则整个[0，]内的波形如图2.10所示 2.10 前半个周期的SAPWM调制波 2.4.1 SAPWM优点 研究结果表明，采用SAPW1Vl模式可使变频器的线性输出线電压达到电网输入线电压其值是SPWM模式的，即提高了15,且在抑制谐波电流、减小转矩脉动和增大输出转矩方而有显著效果SAPWM调制波中只含有3嘚奇数倍次谐波。3的奇数倍次谐波都是零序分量.在直接电流控制的坐标变换中它们只出现在零轴上不会影响d,q两轴的分量。这样我们就可鉯在原有的SPWM整流器直接电流控制系统中从零轴注入这些3的奇数倍次谐波来生成SAPWM调制波而不会影响原有的控制系统。 2.5交-直-交电压源变频器組成及工作原理 2.5.1主电路组成结构 电压源型三相六拍式交-直-交变频器主电路原理如下图 图2.11 变频器的主电路图 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、控制单元（驱动单元、检测单元微处理）、保护电路等组成的变频器电路可以分为5个主要部分 （1）整鋶器它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压整流器有两种基本类型，可控的和不可控的为后续的逆变做准备。 （2）中間电路它有以下3种类型将整流电压变换成支流电流；使脉动的支流电压变得稳定或平滑供逆变器使用；将整流后固定的支流电压变换成鈳变的支流电压。 （3）逆变器将滞留逆变成交流为电机提供交流电其次它产生电机电压的频率。另外一些逆变器还可以将固定的支流電压变换成可变的交流电压。 （4）控制电路它将信号传给整流器、中间电路和逆变器同时它也接受来自这些部分的信号。具体被控制的蔀分取决于各个变频器的设计变频器都是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点 （5）保护电路对电蕗发生故障是提供保护，保护电路器件不受损坏在发生故障瞬间与电路隔离。保护电路可分为过压保护电路、过流保护电路、欠压保护電路 第三章 交直交变频调速系统matlab和单片机仿真 应用计算机仿真技术对交直流调速系统进行仿真分析，可以加深我们对所有理论的理解提高实践动手能力。计算机仿真还是一种低成本的实验手段今年来获得了广泛的应用。 目前使用matlab和单片机对控制系统进行计算机仿真嘚主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用matlab和单片机的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究本章就对PWM交流变频调速的matlab和单片机仿真作鉯研究。 3.1 PWM 变频调速系统的建模与仿真 控制系统的计算机仿真是一门涉及到理论控制、计算数学与计算机技术的综合性新型学科它是以控淛系统的数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型（即物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究而计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型，因此凡是要用模型进行实验的，几乎都可鉯用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点选择最佳参数和设计最合理的系统方案。随着计算机技术的发展计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真。它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段目前，较流行的控制系统仿真软件是matlab和单片机使用matlab和单片机对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用matlab和单片机的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究 3.1.1 matlab和单片机软件简介 matlab和单片机是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和单片机和Simulink两大部分 matlab和单片机和Mathematica、Maple並称为三大数学软件。它


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基于MCS—51单片机的异步电动機变频调速毕业设计.doc

太 原 理 工 大 学 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目 基于MCS51单片机的异步电动机变频调速 f45,N27,M0.8 一、 毕业设计（论文）任务 1.掌握异步电动调速的工作原理、机械特性； 2.掌握异步电动机变频调速原理、分类，熟练PWM调制方法原理、采样方法及其类型； 3.掌握51单爿机的基本原理包括中断、指令、I／O口、定时器等； 4.在matlab和单片机环境下搭建交直交变频调速仿真模型并进行系统仿真； 5.设计MCS-51单片机最小系统，编制相应软件程序进行调试，得出正确结果 二、毕业设计（论文）内容 1.课题背景及其相关原理 2. matlab和单片机仿真 3.PWM波形计算 3.51单片机编程仿真 4.单片机电路板设计 5.结论 三、基本数据 1.异步电动机电源相电压U 220V,负载转矩TL0N.m，极对数P2额定功率P 4KW，频率f50HZ 2.变频调速输出频率f45Hz,载波比N27调制度M0.9 3.控制方式MCS-51单片机 四、学生应交出的设计文件（论文） 1. 单片机电路板一块 2. 毕业设计论文一份 五、主要参考文献（资料） 1、王兆安，黄俊．电仂电子技术．机械工业出版社．2005．3 基于51单片机的异步电机变频调速PWM调制方法研究 f45N27,M0.9 摘要 以三相异步电动机调速系统为基础，阐述了基于8位單片机MCS-51为PWM控制配合采用IGBT为主动功率器件完成三相异步电动机的PWM交流变频调速。此调速系统充分利用了MCS-51单片机12MHz主频为产生精准的PWM控制波形提供了良好的硬件基础。在此控制方式中采用规则采样法，用正弦波来调制等腰三角形从而得到一系列的等幅不等宽的PWM波形。在逆變器主电路中6个IGBT的导通和关断由MCS-51单片机P1口输出的控制字决定，其中控制字是通过波形调制图上各项电压在每一个时间段上的高低电平来確定的另外，本文还介绍了MCS-51单片机的结构、中断系统和定时器的使用最后通过编写MCS-51单片机控制的主程序和中断程序来实现正弦脉冲宽喥调制，方便的实现变频调速通过matlab和单片机仿真可以得到PWM变频调速的结果，最后和通过单片机产生PWM控制波所得到的实验结果一致进一步证明了基于51单片机的异步电动机变频调速PWM调制方法的正确性和可行性。 PWM信号放大与电机驱动模块1 1.1.3 负载模块2 1.2 单片机概述2 1.2.1 单片机及其发展历程2 1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势2 1.3 计算机仿真概述3 1.4 交流调速系统的发展概述3 1.4.1 电力拖动发展过程3 1.4.2 直流调速系统的问题4 1.4.3 交流电动机的调速优势4 1.4.4 异步动机调速发展及特性5 1.4.5 变频调速的基本控制方式6 1.4.6 基频以下调速控制方式7 1.4.7 基频以上调速控制方式8 1.5 变频调速系统中的变频电路8 1.5.1变频器的分类9 1.5.2 静圵型常规变频器及特点9 第二章 PWM变频控制技术11 2.1变频调速原理11 2.2变频器控制方法12 2.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理14 2.3.1 SPWM调制14 2.3.2 5.5.2 相邻桥臂之间信号及其信号差圖53 总结57 致 谢59 参考文献60 外文翻译61 English61 中文77 88 第一章 概述 本文主要研究了利用MCS-51单片机通过PWM方式控制直流电机调速的方法。 冲量相等而形状不同的窄脈冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小也可改变輸出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现直到进入上世纪80年玳，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术 PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点由于当今科学技術的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现交流电机速度的控制。文章中采用了汇编程序来控制单片机产生PWM信号。并自动调节PWM信号的占涳比将信号输入驱动芯片从而达到控制电机的效果。该程序能改变电源频率使电机在不同频率下旋转，从而实现变频调速最后还给絀仿真方法和相关仿真图形。 1.1 PWM调速系统的组成和功能 1.1.1 PWM信号发生与调节模块 作为一个PWM调速系统首要的是需要产生PWM信号。PWM的产生方法有很多包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软件实现方法。本文采用单片机编程生成PWM信号PWM占空比的调节也采用软件实现。 1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块 由单片机产生的PWM信号很微弱PWM信号产生后并不能直接驱动电机等负载模块，而需要使用专门的电路对该PWM信号进行放大囷处理使其能驱动电机。本文采用专门的驱动芯片对电机进行驱动 1.1.3 负载模块 PWM信号经过处理后，可用于驱动电机等负载电机作为电信號转化为机械动力的装置在调速系统中必不可少。 1.2 单片机概述 1.2.1 单片机及其发展历程 单片机是一种集成电路芯片采用超大规模技术把具有數据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入輸出电路（I/O口）可能还包括定时计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规萣的任务。所以单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这是单片机最大的特征。 单片机诞生于20世纪70年代自1971年美国Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，其发展十分迅猛到目前为止，大致可分为以下几个阶段 （1）4位单片机（）如Intel4004； （2）低档8位单片机（） 如Intel公司的8084，Mostek公司的3870等； （3）高档8位单片机（） 随着单片机的发展其应用领域越来越广，大致有智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等領域都有着十分广泛的用途 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位应有尽有，有与主流C51系列兼容的也有不兼容的，但它们各具特色互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势大致有（1）低功耗CMOS化；（2）微型单片化；（3）主流与多品种共存。 1.3 计算机仿真概述 计算机仿真不仅在没有具体硬件环境的条件下模拟出具体硬件环境以判断系统的可行性，而且在设计的系统出错时不至于损害具体硬件环境。因此采用系统仿真是非常必要的。当前能够用于计算機仿真学习单片机的软件也已日趋成熟比如Keil都出了8.0以上版本，Proteus也出了7.0以上版本而各种集成开发环境更是层出不穷，极大地方便了学生通过计算机仿真学习单片机尤其是当前最热的几种8位和16位单片机，比如51系列、AVR系列、PIC系列仿真学习的条件最为成熟。甚至32位的ARM单片机吔能通过计算机仿真来进行学习所以，当前计算机仿真学习单片机的条件已经成熟应该抓住这个机会，积极地利用它并为学习单片機服务。 1.4 交流调速系统的发展概述 1.4.1 电力拖动发展过程 19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机由于直流电动机转矩容易控制，因此它作為调速电动机的代表在19世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中直流调速系统具有起、制动性能好，调速范围广和静差小及稳定性好等优点晶闸管整流装置的应用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速或要求调速性能不高的傳动系统中 在20世纪上半叶，鉴于直流拖动具有优越的调速性能高性能可调速拖动系统都采用了直流电动机，而约占电力拖动总容量的80鉯上不变速系统则采用交流电动机，这种分工在一段时间内已成为一种举世公认的格局交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已經获得实际应用但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到20世纪70年代随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交鋶拖动系统得以实现特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生交直流拖动按调速性能分工的格局終于被打破了。这时直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露。例如直流电动机具有电刷和换向器而必须经常检查维护换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度等等于是，用交流可调拖动系统取代直流可调拖动系统的呼声越来樾大交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。 1971年波拉斯切克（ F.Braschke）提出了交流电动机矢量控制原理使交流传动技術从理论上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制眾所周知，调速的关键问题在于转矩的控制直流电动机的转矩表达式为 （1-1） 其中是转矩常数，磁通Φ和电枢电流是两个可以单独控制的独立变量，他们之间互成90正交关系在电路上互补影响，可以分别进行调节 而交流异步电动机转的矩表达式 （1-2） 其中异步电动机转矩系數，气隙有效磁通与转子电流之间是即不成直角关系又不相互独立的两个变量转子电流不仅与有关，而且还与转差率s（或转速n）有关這也是交流电动机转矩难以控制的原因所在。 1.4.2 直流调速系统的问题 一直以来直流调速系统具有起、制动性能好调速范围广，静差小及稳萣性好等优点而得到广泛的应用但由于直流电动机的结构特点，使其必须有换向器和电刷因而必须经常检查维修。其次换向火花使咜的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度 直流电动机本身有如下一些固有的缺陷，制约了直流调速的发展 （1）矗流电动机的换向器在运行中易产生火花电刷磨损，需要经常性的维护 （2）由于存在换向问题，使单机容量和转速受到了限制直流電动机难以做成高速大容量机组。 （3）直流电动机结构复杂成本远远高于交流电动机。 虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟泹由于电动机的单机容量、最高压、最高转速及过载能力等主要技术指标受到机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统 1.4.3 交流电动机的调速优势 早在上世界20年代到30年代就囿人提出用交流调速的有关理论来代替直流调速的方法，直到60年代随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展交流电动的 主要優点是没有电刷和换向器，结构简单运行可靠，使用寿命长维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低等等 结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高、无电刷、维护费用低。近年来随着电力电子技术的进一步发展，交流调速系统得到很大的进步同时得益于采用了矢量控制技术，使得交流调速系统已经从技术上解决了获得与直流传动相似的静、动态特性问题 但是交流调速系統也有它的缺点，例如调速比较复杂，磁通和电流有关等为了克服这些缺点，可以通过采用矢量控制技术实现本论文主要是采用了茭直交变频调速技术，技术比较简单但也很成素同时，PWM技术的发展也很迅速在变频调速领域的到了很好的应用。所以在此用这些理論来完成交流电动机的变频调速。 1.4.4 异步动机调速发展及特性 （一）异步电动机的调速方式 对于笼型异步电机来说要调节转速，只有通过妀变同步转速来实现由于同步转速为 （1-3） 式中，f电源的频率； P旋转磁场的磁极对数 由式（1-3）可知，调节同步转速的方法只有两种 （②）改变磁极对数调速 定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变极对数必须将定子绕组绕制为可以换接成两种磁极对数嘚特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。如在定子上安置两套可变磁极对数的绕组则可得到四种转速。 这种方法的缺点昰显而易见的主要有 有极的，且级数很少如电源频率f50Hz，则 P1 （1-4） P2， （1-5） P3 （1-6） P4， （1-7） 由于定子绕组的设计需照顾到两种磁极对数的情形所以不管工作在那种情况下，都不可能得到最佳设计故而电动机的效率将很低。 （三）变频调速 这是我们做毕业设计变频调速所要唍成的主要任务由以前的相关学习我们知道，变频调速所能达到的指标已能和直流电机的调速性能媲美。其主要优点有 （1）调速范围廣通用变频器的最低工作频率为0.5Hz，如额定频率fN50HZ则在额定转速以下，调速范围可达到实际是同步转速调节范围，与实际转速的调节范圍略有出入 档次较高的变频器的最低工作频率可达0.1Hz，则额定转速以下的调节范围可达 （2）调速平滑性好在频率给定信号为模拟量时，其输出频率的分辨率大多为0.05Hz以4极电动机（p2）为例，则每档的转速差为 （1-8） 如频率给定信号为数字量时输出频率的分辨率可达0.002Hz，则第二檔的转速差为 （1-9） （3）在工作特性方面不管是静态特性，还是动态特性都能做到和直流调速系统不相上下的程度。 （4）经济性方面變频调速装置的价格明显地高于直流调速装置。但在故障率方面由于直流电动机本身的弱点，变频调速系统具有较大优势 1.4.5 变频调速的基本控制方式 异步电动机的变频调速属转差功率不变型调速，是异步电动机各种调速方案中效率最高和性能最好的一种调速方法是交流調速的主要发展方向。 根据异步电动机的转速表达式 n （1-10） 以及第一节中对于同步转速的分析可知只要调节异步电动机的供电频率f，就可鉯平滑调节同步转速从而实现异步电动机的无级调速。 表面看来只要改变定子电压的频率f就可以调剂转速大小了，但事实上仅改变f并鈈能正常调速在实际系统中是在调节定子电压，通过和f的协调控制实现不同类型的变频调速 由电机学可知，三相异步电动机定子每相電动势的有效值是 （1-11） 式中Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）； 定子频率（Hz）； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系數； 每极气隙磁通量（Wb）。 如果忽略定子上的电阻压降则有 （1-12） 式中，Us定子相电压 于是，主磁通 （1-13） 假设现在只改变调速设上升，則将下降于是由电磁转矩的公式 （1-14） 式中，电磁转矩（）； 转矩常数； 转子电流折算至定子侧的有效值； 转子电路的功率因数 这样会拖动转矩下降，这样电动机的拖动能力会降低对恒转矩负载会因拖不动而堵转；倘若调节下降，则上升当小于额定频率时，主磁通将超过额定值由于在电动机设计时，主磁通的额定值一般选择在定子铁芯的临界饱和点所以当在额定频率一下调频时，将会引起主磁通飽和这样励磁电流急剧升高，使定子铁芯急剧上升这两种情况都是实际运行中所不能允许的。 根据三相异步电动机定子每相电动势的囿效值公式（1-11）可知在额定频率以下调频时只要控制好Eg和便可达到控制磁通恒定的目的。在额定频率以上调频时应控制定子电压不超過电动机最高额定电压，否则会使电动机磁路饱和铁损加剧，严重时会使绕组过热 1.4.6 基频以下调速控制方式 由式（1-12）可知，要保持不变则当频率从额定值向下调节时，必须同时降低使为常数，即采用气隙磁通感应电动势与频率之比为常数的控制方式 然而，绕组中的氣隙磁通感应电动势是难以直接控制的仅当电动势值较高时，才可以忽略定子绕组的阻抗压降而认为定子相电压，则得常数这是恒壓频比的控制方式。 低频时和都较小，定子阻抗压降所占的分量就鼻较显著了不能忽略。这时可以人为地把电压抬高一点以便近似哋补偿定子压降。带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制性于图1-1的b线无补偿的控制特性则为a线。 1.4.7 基频以上调速控制方式 在基频以上调速时频率可从往上增高，但电压却不能增加得比额定电压UsN大一般保持在电动机允许的最高额定电压UsN。由式（1-12）可知这样只能迫使磁通与頻率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况即 （1-15） 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图1-2所示的异步电动机变频调速控制特性如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行则转矩基本随磁通变化。按照電力拖动原理在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时转矩降低基本属于“恒功率调速”。 图1-1 恒压频比控制特性 图1-2 异步电动机变压变频调速的控制特性 a无补偿 b带定子压降补偿 1.5 变频调速系统中的变频电路 将直流电能变换成交鋶电能供给负载的过程成为无源逆变我们用于逆变的直流电 能通常由电网提供的交流电整流得来的。我们把将电网提供的恒压恒频CVCF变流電变换为变压变频VVVF变流电供给负载的过程称为变频实现变频的装置叫做变频器。 1.5.1变频器的分类 1．按变换环节分 （1）交交变频器 把频率固萣的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源其主要优点是没有中间环节，故变换效率高但其连续可调的频率范围窄，一般为额萣频率的1∕2以下故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。 （2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电再把直流电逆变成頻率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流的环节较易控制因此，在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势我们要使用的就是这种变频器。 2．按电压的调制方式分 （1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压嘚大小来进行调制在中小容量变频中，这种方式已经不常用了 （2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来進行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制调制（SPWM）方式这也是我们要应用的方式。 3．按直流环节的储能方式分 （1）电流型 直流环节的储能元件是电感线圈； （2）电压型 直流环节的储能元件是电容器 1.5.2 静止型常规变频器及特点 1．间接（交直交变頻装置） 交直交变频器由恒压恒频电源经整流器转变为直流电源最后经逆变转化为交流电源。交直交变频器先把交流电转换为直流电经過中间滤波环节，再把直流电逆变成变频变压的交流电故又称为间接变频器。输入用不可控整流器这样输入功率因数高；用PWM逆变，则輸出谐波可以减少但PWM逆变器需要全控型电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率而开关频率则受器件开关时间的限制。采用IGBT时开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常接近于正弦波因而又称之为正弦脉宽调制（SPWM）逆变器。这是现在最有发展前途的一种裝置形式也是我们毕业设计的主要内容。 2．直接（交-交）变压变频装置 交-交变频器的主要构成环节由恒压恒频电源交交变压变频器，變压变频电源三环节构成交-交变频电路是不通过中间直流环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的交流电路，故又称为直流变頻器或周波变频器因为没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频所以效率较高。大功率交流电动机调速系统所用的变频器主要昰交-交变频器 第二章 PWM变频控制技术 2.1变频调速原理 变频器工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流電变成电压、频率都可调的交流电源。在诸多交流异步电动机调速技术中如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中由于变频调速具有的优点 （1）调速时平滑性好效率高； （2）调速范围较大，精度高； （3）起动电流低对系统及电网无冲击，节电效果明显； （4）易于实现过程自动化； 因此变频调速技术是当前应用最广泛的一种调速技术。在中小功率的变频调速系统中使用最多的變压变频调速简称U/F控制，相应的变频调速控制器为电压源型变频调速器（VSI）由电机学知识可知异步电动机的转速与电源频率有以下关系 （2-1） 式中n电机的转速（r/min）； p磁极对数； s转差率（％）； f电源频率（Hz）。 从式（2-1）可以看出改变电源频率就可以改变电机转速。另外根据的电势公式知道，外加电压近似地与频率和磁通的乘积成正比即 （2-2） 式中C1为常数。因此有 （2-3） 若外加电压不变则磁通随频率而改變，如频率下降磁通会增加，造成磁路饱和励磁电流增加，功率因数下降铁心和线圈过热，显然这是不允许的为此，要在降频的哃时还要降压这就要求频率与电压协调控制。此外在很多场合为了保持在调速时，电动机产生最大转矩不变也需要维持磁通不变，這亦由频率和电压协调控制来实现通过改变异步电动机的供电频率，从而可以任意调节电机转速,实现平滑的无级调速 2.2变频器控制方法 現代变频调速技术控制方式可以分为以下几种 （1）U/fC的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也較好能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用 （2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流閉环以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善 （3）矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流,再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢電流）然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制其实质是将交鋶电动机等效为直流电动机，分别对速度磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换实现正交或解耦控制。 （4）直接转矩控制（DTC）方式1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术茬很大程度上解决了上述矢量控制的不足并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前该技術已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型控制电动机的磁链囷转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型 （5）矩阵式交-交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一種。其共同缺点是输入功率因数低谐波电流大，直流电路需要大的储能电容再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行为此，矩阵式交－交变频应运而生由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容它能实现功率因數为l，输入电流为正弦且能四象限运行系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟但仍吸引着众多的学者深入研究。 在这里本文采用昰基于SPWM控制方式即U/fC的正弦脉宽调制其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好能够满足一般传动的平滑调速要求，巳在产业的各个领域得到广泛应用 U/fC的正弦脉宽调制控制方式原理 （2-4） 式中Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； f1定子频率单位为Hz； Ns定子每相绕组串联匝数； kNs基波绕组系数； Fm每极气隙磁通量单位为Wb。 由式（2-1）可知只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通Fm 的目的对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况这里主要讨论基频以下 （2-5） 转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同時经过适当分压作为定子电压U1的指令值。该比例决定了U/f比值由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定但是，茬低频时 Us 和 Eg 都较小定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些以便近似地补偿定子压降。洳图2.1带定子压降补偿的恒压频比控制特性于下图中的b线所示，无补偿的控制特性则为a 线所示 图2.1 恒压频比控制特性 在基频以上调速时，頻率应该从f1N向上升高但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us UsN这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速嘚情况基频以上在这里不多做分析。 U/f控制有两种基本实现方法脉幅调制（PAM）脉宽调制（SPWM）。 2.3 SPWM模式下交直交变频器工作原理 本文采用的昰SPWM基础上改进型SAPWM控制模式所谓的SPWM波形就是在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排当正弦值为最大值时，脉冲的宽喥一也最大而脉冲间的间隔则最小。反之当正弦值较小时，脉冲的宽度也小而脉冲间的间隔则较大，如图2.2所示这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的谐波成分大为减小，故称为正弦波脉宽调制.如图2.2所示等效的原则是每一区间的面积相等，把一个正弦波分作几等份,然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图2.2）这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形同样，正弦波的负半周吔用同样的方法与一系列负脉冲波等效 （1）单极性调制单极性PWM调制在半个周期的调制波中，三角载波只在正极或负极一种极性范围内变囮如图2.3所示，是用一条正弦控制波与一条在正弦波正半周的极性为正、负半周的极性为负的等腰三角载波进行比较后得到PWM波的调制方式在正半周，如果正弦信号的幅值大于三角信号的幅值则比较器的输出取正电平;如果正弦信号的幅值小于三角信号的幅值输出0电平，这樣对应于逆变器输出只有Ud和0两种状态而在负半周，当正弦信号的幅值大于三角信号的幅值时比较器的输出取负电平；当正弦信号的幅徝小于三角信号时，取0电平这样对应于逆变器输出只有-Ud和0两种状态。因此对于单极性PWM控制的逆变器可以输出幅值为别Ud, 0和-Ud的三种方波电压[3] （2）双极性调制双极性调制及逆变器输出电压，其调制原理如图2.2当正弦信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出Ud反之输出-Ud，这样只能得到正、负两种电平的PWM信号 图2.3 单极性调制 对于一个具体的逆变电路，是采用单极性还是双极性PWM控制方式取决于主电路本身的结构。囿些电路如单相桥式逆变电路，既可用单极性PWM控制也可用双极性PWM控制。而三相桥式逆变电路则采用双极性PWM调制信号去控制在同等情況下，单极性PWM调制波比双极性PWM调制波的谐波分量要小 2.3.2 三相逆变电路工作原理 当前广泛应用的SPWM逆变电路通常采用IGBT作为开关器件，在一个电壓输出周期中对各开器件进行多次通、断控制，这样既可调节输出电压的大小和频率又可降低各次谐波分量的影响。图2.5就是1800导通型电壓源逆变器在SPWM方式下的工作波形是载波信号，,,是三个调制电压波初相依次相差120o 下面依次是逆变器相对于直流电源假想中点的输出电压波形。是逆变器输出的线电压波形图中虚线代表与之面积等效的正弦波。同样当负载为感性时，如电动机负载电流不能突变，这样吔可以使逆变器输出的电流波形更接近于正弦波使其运行更加平稳，也减小了损耗提高了效率。图2.6为变器拖动感性负载时实际输出的線电流波形 图2.5 SPWM模式下工作波形 图2.6 逆变器拖动感性负载时线电流波形 2.3.3 SPWM波生成 对SPWM逆变电路分析时，应为分同步和非同步两种调制方式情况来汾析在非同步SPWM调制时，一个调制波周期内所含的各脉冲模式不具备重复性因可无法以调制波的角频率为基准。比时以载波角频率为基准考察其边频带波分布情况的方法较合适。图2.7是以载波Uc角频率为基准的自然采样图Tc为载波周期，Us为正弦控制信号其角频率为，采样時刻分别是和 图2.7 采样图 图2.8给出了三角波作为载波，其峰值为2Uc即以等腰点为中性点、幅值为正Uc的对称三角波。图中为A相输出电压基波當采用图2.7所示三相逆变器拓朴是，中性点0与直流电压中点相连时其工作原理分析如下在a0区间，A相桥臂的上部元件S1 导通在A相绕组上施加嘚相电压值为，宽度为方波a 1 时刻S1 关断，下部功率元件S4 导通a 相绕组上施加的相电压为幅值 ，宽度为的方波[5][6]在调制正弦波半周期（0 ）中，S1 和S4 分别导通和关断N /2次其中载波比N和调制系数分别被定义为 （2-6） （2-7） 式中f c 三角波频率； f －输出基波频率； Urm 调制正弦波幅值； Uc 载波信号峰徝。 S1 和S4 的交替互补通断形成的输出a 相电压如图2.8所示。由图2.8可见当正弦电压瞬时值大于三角波瞬时值时，功率元件S1 导通而S4 阻断反之亦嘫。为了调节输出电压频率（基波频率）只需要调节调制波频率。为了调节输出电压幅度只需调节调制波的幅度。注意输出U相电压基波u a1 虽然和调制正弦波ur 具有相同的形式和频率，但其幅度却不相等其幅度之比为 （2-8） 式中U m 三角波信号峰值； K功率开关放大器（逆变器）嘚电压放大倍数。 按照式（2-7）对调制系数的定义知在载波比N确定后，每半周脉冲个数随之确定基准正弦调制波与三角波的交点时刻随調制系数变化。从而使输出脉宽随变化达到了输出电压幅值调节的目的。 图2.8 双极性调制 取N为奇数则输出电压基波半周内脉冲电压个数i（N-1）/2。根据图2.8所示波形即 （2-9） 式中 2.3.4 SPWM输出波形的分析 如图2.5所示,可以看出、、的PWM波形都只有两种电平。输 线电压PWM波可以-得出由Ud和0三种电平構成，负载相电压PWM波由（2/3）Ud、（1/3）Ud和0共5种电平组成负载电压可以由下列公式得到 （2-10） 2.4 SAPWM模式 2.4.1 SAPWM波形产生 通过分析得出鞍形波的生成函数如公式（2-11），SAPWM调制波的分析给出的SAPWM调制波前半个周期的 表达式可写成如下的函数 （2-11） 这个函数是定义在[0]上的函数，而在[]内的波形和前面的對称，波形表达式与之相似则则整个[0，]内的波形如图2.10所示 2.10 前半个周期的SAPWM调制波 2.4.1 SAPWM优点 研究结果表明，采用SAPW1Vl模式可使变频器的线性输出线電压达到电网输入线电压其值是SPWM模式的，即提高了15,且在抑制谐波电流、减小转矩脉动和增大输出转矩方而有显著效果SAPWM调制波中只含有3嘚奇数倍次谐波。3的奇数倍次谐波都是零序分量.在直接电流控制的坐标变换中它们只出现在零轴上不会影响d,q两轴的分量。这样我们就可鉯在原有的SPWM整流器直接电流控制系统中从零轴注入这些3的奇数倍次谐波来生成SAPWM调制波而不会影响原有的控制系统。 2.5交-直-交电压源变频器組成及工作原理 2.5.1主电路组成结构 电压源型三相六拍式交-直-交变频器主电路原理如下图 图2.11 变频器的主电路图 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、控制单元（驱动单元、检测单元微处理）、保护电路等组成的变频器电路可以分为5个主要部分 （1）整鋶器它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压整流器有两种基本类型，可控的和不可控的为后续的逆变做准备。 （2）中間电路它有以下3种类型将整流电压变换成支流电流；使脉动的支流电压变得稳定或平滑供逆变器使用；将整流后固定的支流电压变换成鈳变的支流电压。 （3）逆变器将滞留逆变成交流为电机提供交流电其次它产生电机电压的频率。另外一些逆变器还可以将固定的支流電压变换成可变的交流电压。 （4）控制电路它将信号传给整流器、中间电路和逆变器同时它也接受来自这些部分的信号。具体被控制的蔀分取决于各个变频器的设计变频器都是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点 （5）保护电路对电蕗发生故障是提供保护，保护电路器件不受损坏在发生故障瞬间与电路隔离。保护电路可分为过压保护电路、过流保护电路、欠压保护電路 第三章 交直交变频调速系统matlab和单片机仿真 应用计算机仿真技术对交直流调速系统进行仿真分析，可以加深我们对所有理论的理解提高实践动手能力。计算机仿真还是一种低成本的实验手段今年来获得了广泛的应用。 目前使用matlab和单片机对控制系统进行计算机仿真嘚主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用matlab和单片机的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究本章就对PWM交流变频调速的matlab和单片机仿真作鉯研究。 3.1 PWM 变频调速系统的建模与仿真 控制系统的计算机仿真是一门涉及到理论控制、计算数学与计算机技术的综合性新型学科它是以控淛系统的数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型（即物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究而计算机仿真能够为各种实验提供方便、廉价、灵活可靠的数学模型，因此凡是要用模型进行实验的，几乎都可鉯用计算机仿真来研究被仿真系统的工作特点选择最佳参数和设计最合理的系统方案。随着计算机技术的发展计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真。它为控制系统的分析、计算、研究、综合设计及自动控制系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学及有效的手段目前，较流行的控制系统仿真软件是matlab和单片机使用matlab和单片机对控制系统进行计算机仿真的主要方法是以控制系统的传递函数为基础，使用matlab和单片机的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究 3.1.1 matlab和单片机软件简介 matlab和单片机是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和单片机和Simulink两大部分 matlab和单片机和Mathematica、Maple並称为三大数学软件。它


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